(57)【要約】【課題】  高精度の予測ができる粉末活性炭制御装置を得る。【解決手段】  本発明の粉末活性炭制御装置は、計測値蓄積装置51、除去対象物質の濃度を予測する予測値演算装置57および粉末活性炭の注入量を指令する注入量指令装置58とからなる注入量設定装置５と、注入量を調整する注入量調整器２と、調整弁とを備えたもので、注入量設定装置５は、予測に必要なシステム変数を選択するシステム変数選択装置52と、除去対象物質の平均変動パターンを作成する平均変動パターン作成装置53と、平均変動パターンから除去対象物質の測定値を差引いた残差部分を作成する除去対象物質データ演算装置54と、自己回帰係数の値を決定する自己回帰モデル作成装置55と、平均変動パターンとの残差予測値を求める残差予測値演算装置56とからなり、予測値演算装置57は残差と平均変動パターンから除去対象物質を予測するものである。【選択図】    図１
2005230629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水処理工程にて各種の計測値を蓄積する計測値蓄積装置、除去対象物質の濃度の将来動向をオンラインの計測値から予測する予測値演算装置、および前記予測値演算装置の予測値に基づき粉末活性炭の注入量を指令する注入量指令装置とからなる注入量設定装置と、前記注入量指令装置の指令をうけて注入量を調整する注入量調整器と、前記注入量調整器の注入量に応じて開閉する調整弁とを備えた粉末活性炭制御装置において、
前記注入量設定装置は、前記計測値蓄積装置の後段に設けられ予測に必要なシステム変数を選択するシステム変数選択装置と、前記除去対象物質の平均変動パターンを作成する平均変動パターン作成装置と、前記平均変動パターンから前記除去対象物質の測定値を差引いた残差部分を作成する除去対象物質データ演算装置と、前記除去対象物質データ演算装置の演算値を基に自己回帰係数の値を決定する自己回帰モデル作成装置と、前記平均変動パターンとの残差予測値を求める残差予測値演算装置とからなり、前記平均変動パターンと前記残差予測値との和から前記除去対象物質の濃度を予測することを特徴とする粉末活性炭制御装置。
【請求項２】
前記除去対象物質データ演算装置は、前記除去対象物質の周期的な変動を求め、周期的な変動部分以外は、前記除去対象物質の量と前記変動パターンの差である残差部分を求め、前記残差部分と除去対象物質の生成要因となる計測値を統計モデルの自己回帰係数として使用することにより前記残差部分の予測値を求めることを特徴とする請求項１記載の粉末活性炭制御装置。
【請求項３】
前記除去対象物質データ演算装置は、前記残差部分を求めるさいに、前記除去対象物質の周期的変動として、急激な除去対象物質の変動が見られない直近の期間の計測値を用いることを特徴とする請求項１または２記載の粉末活性炭制御装置。
【請求項４】
前記残差予測値演算装置の前記残差部分の予測は、前記自己回帰モデルを用いたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の粉末活性炭制御装置。
【請求項５】
前記システム変数選択装置に入力するシステム変数は、相関レベル１と相関レベル２に層別したことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の粉末活性炭制御装置。
【請求項６】
前記相関レベル１のシステム変数は、前記除去対象物質がトリハロメタンの場合、相関関係を有する水温としたことを特徴とする請求項５記載の粉末活性炭制御装置。
【請求項７】
前記相関レベル２のシステム変数は、前記除去対象物質がトリハロメタンの場合、流量、ｐＨ値、導電率、濁度、紫外線吸光度、色度、硬度としたことを特徴とする請求項５または６記載の粉末活性炭制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉末活性炭の注入量を精度よく制御することができる粉末活性炭制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水道水は安全で衛生的でなければならず、施設の大小にかかわらず浄水処理においては必ず消毒装置を設けなければならない。消毒には塩素が必ず使用され、消毒効果が大きく、消毒の効果が残留する特徴がある。
一方、発ガン性物質であるトリハロメタンやハロ酢酸などの消毒副生成物を生成することが知られており、活性炭注入を行うことで副生成物の濃度を抑制することが重要となる。
活性炭は木質原料を炭化処理することで製造され、マクロ孔を有した構造であることから、吸着性能が優れており、通常の浄水処置だけでは除去できないカビ臭原因物質や有機物質を除去できる。
従来、浄水処理過程での用いられる活性炭注入制御装置は、図２に示すようになっている。図２は、従来の活性炭注入制御装置のブロック図と処理工程を示す説明図である。図において、１はスラリー液槽、２は注入量調整計、３は調整弁、４は計測値、５は注入量設定装置からなる。注入量設定装置５は、５１計測値蓄積装置、５７予測値演算装置、５８注入量指令装置、５９定数入力装置である。
通常、注入方式には、粉末のまま注入する乾式と、スラリー液として注入する湿式とがあり、図２は湿式を示している。スラリー液槽１の内には、図示しないスラリー溶解槽にて水と活性炭を混合した一定濃度のスラリー液が移送され貯蔵されており、濃度を均一に保つため攪拌機が取り付けられている。スラリー液は、混和槽7に注入され、一定時間原水に接触された後、凝集沈殿池8、急速ろ過機9において、凝集・ろ過され除去される。ろ過された水は配水池10から需要家に供給される。
活性炭の注入量は、注入量調整計２によって、注入量設定装置５で設定された注入量になるように調整弁３を制御することで、除去対象物質の濃度に応じて調整され、トリハロメタン前駆物質の場合は、３０〜１００ｍｇ／ｌの範囲が多い。
一方、トリハロメタン前駆物質に代表されるような消毒副生成物量の測定には、複雑な前処理やイオンクロマトグラフ法による測定器の操作などの労力を必要とし、分析に非常に時間がかかっている。
そこで、副生成物の生成量が原水の水温や導電率などで大きく変化することから、注入量設定装置５では、除去対象物質を統計的手法で予測して、適正な注入量を決定している。
注入量測定装置５において、予測値演算装置５７は、計測値蓄積装置５１に取り込まれた水温や導電率や紫外線吸光度などのオンラインの計測値４と、定数入力装置５９で入力された定数を用いて次の式で除去対象物質の生成量を予測する（例えば、特許文献１）。
【０００３】
【数１】
2005230629.tif 000003
【０００４】
Ｃ：トリハロメタン生成量（μｇ／ｌ）
Ａ：紫外線吸光度（ａｂｓ／５０ｍｍ）
Ｔ：試料水の液温（℃）
Ｘ：原水の液温（μ／ｓ）
ａ，ｂ，ｇ，ｈ：定数
定数ａ、ｂ、ｇ、ｈは、予備試験あるいは過去のデータにより統計的に決定された値を定数入力装置５９を通して設定する。
予測された生成量に応じて、注入量指令装置５８にて注入量設定値を決定し注入量調整計に指令値を渡す。
【特許文献１】特開２００１−２３５４６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の粉末活性炭制御装置において除去対象物質を予測する場合、除去対象物質と相関関係の高い計測項目について、過去のデータを統計的に処理することで定数を決定し、この定数ならびに現在の計測値と予測される対象物質との関係を表現する前述の式を用いて推定している。しかし、実際の除去対象物質の生成には、現在の計測値に加え、数分前の計測値の挙動を考慮する必要があるが、現状の予測方法では困難であった。したがって、正確な予測ができていない結果になっている。
そこで、本発明は、現時点の計測値に加え、数分前の計測値の挙動を考慮した予測を行い、高精度の予測ができる粉末活性炭制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するために、本発明は、次のように構成したものである。
請求項１に記載の発明は、  水処理工程にて各種の計測値を蓄積する計測値蓄積装置、除去対象物質の濃度の将来動向をオンラインの計測値から予測する予測値演算装置、および前記予測値演算装置の予測値に基づき粉末活性炭の注入量を指令する注入量指令装置とからなる注入量設定装置と、前記注入量指令装置の指令をうけて注入量を調整する注入量調整器と、前記注入量調整器の注入量に応じて開閉する調整弁とを備えた粉末活性炭制御装置において、前記注入量設定装置は、前記計測値蓄積装置の後段に設けられ予測に必要なシステム変数を選択するシステム変数選択装置と、前記除去対象物質の平均変動パターンを作成する平均変動パターン作成装置と、前記平均変動パターンから前記除去対象物質の測定値を差引いた残差部分を作成する除去対象物質データ演算装置と、前記除去対象物質データ演算装置の演算値を基に自己回帰係数の値を決定する自己回帰モデル作成装置と、前記平均変動パターンとの残差予測値を求める残差予測値演算装置とからなり、前記平均変動パターンと前記残差予測値との和から前記除去対象物質の濃度を予測するものである。
請求項２に記載の発明は、前記除去対象物質データ演算装置は、前記除去対象物質の周期的な変動を求め、周期的な変動部分以外は、前記除去対象物質の量と前記変動パターンの差である残差部分を求め、前記残差部分と除去対象物質の生成要因となる計測値を統計モデルの自己回帰係数として使用することにより前記残差部分の予測値を求めるものである。
請求項３に記載の発明は、前記除去対象物質データ演算装置での前記残差部分を求めるさいに、前記除去対象物質の周期的変動として、急激な除去対象物質の変動が見られない直近の期間の計測値を用いるものである。
請求項４に記載の発明は、前記残差予測値演算装置の前記残差部分の予測に、前記自己回帰モデルを用いるものである。
請求項５に記載の発明は、前記システム変数選択装置に入力するシステム変数を、相関レベル１と相関レベル２に層別したものである。
請求項６に記載の発明は、前記相関レベル１のシステム変数を、前記除去対象物質がトリハロメタンの場合、相関関係を有する水温としたものである。
請求項７に記載の発明は、前記相関レベル２のシステム変数を、前記除去対象物質がトリハロメタンの場合、流量、ｐＨ値、導電率、濁度、紫外線吸光度、色度、硬度としたものである。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の発明によると、地域別に適した予測ができ、数時間前の計測値を考慮した予測ができ、高精度な予測ができる。
請求項２に記載の発明によると、平均変動と残差部分を層別でき、高精度な予測ができる。
請求項３に記載の発明は、平均変動パターンを正確に作成できるため、高精度な予測ができる。
請求項４に記載の発明によると、数時間前の計測値を考慮した予測ができ、高精度な予測ができる。
請求項５に記載の発明は、地域別に適したシステム変数を設定でき、地域固有の高精度な予測ができる。
請求項６に記載の発明は、相関関係の高いシステム変数を用いて予測するので、高精度な予測ができる。
請求項７に記載の発明は、除去対象物質と相関関係のある水質項目をシステム変数として任意に設定できるので、高精度な予測ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は本発明の実施例を示す粉末活性炭制御装置のブロック図である。図において、５２はシステム変数選択装置、５３は平均変動パターン作成装置、５４は除去対象物質データ演算装置、５５は自己回帰モデル作成装置、５６は残差予測値演算装置である。従来と同じ構成要素については同じ符号を付してその説明を省略する。
本発明が従来技術と異なる構成は、注入量設定装置５として、システム変数選択装置５２と平均変動パターン作成装置５３と除去対象物質データ演算装置５４と自己回帰モデル作成装置５５と残差予測値演算装置５６を設けた点である。
次に装置の構成を具体的に説明する。
システム変数選択装置５２は、計測値蓄積装置５１で蓄積された計測値のなかから、予測式に使用するシステム変数を選択する。ここでは、地域によって原水水質が異なっており、除去対象物質の挙動を左右する水質項目も異なっていることから、対象地域に適したシステム変数を適宜決定する必要がある。
そこで、システム変数を、相関レベル１と相関レベル２に層別することを行う。相関レベル１に割り当てる水質項目は、予測を実施するために最低１つの水質項目を割り当てることとし、除去対象物質の挙動と相関関係が高いものとを選択することで、高精度な予測を実現できる。例えば、トリハロメタンの場合、水温といった生成に特に影響を与える水質項目をレベル１に設定する。相関レベル２は、除去対象物質の挙動に影響を与えると考えられる水質項目を割り当てる。相関レベル２は自由度が高く、設定しない場合もあれば、可能性のある水質項目を際限なく選択可能となっている。例えば、トリハロメタンの場合、相関レベル２には、影響を与える指標として考えられる、原水の導電率、ｐＨ値、流量、濁度、紫外線吸光度、色度、硬度などを使用する。
平均変動パターン作成装置５３は、システム変数選択装置で選択されたシステム変数の計測値から平均変動パターンを作成する。
ここでは、気温の上昇による水温の上昇や、降雨による取水源の流量増加などにより原水水質の変動が激しく起こり、結果として除去対象物質の変動を引き起こしているデータ領域と、周期的に緩やかに変化するデータ領域を層別し、平均変動パターンは後者のデータを用いて作成する。つまり平均変動パターンは、急激な除去対象物質の変化が発生した期間以外について、各時刻の直近数日間の平均値から算出する。また平均変動パターンの更新は、予測日により近い計測値を使用することを目的に毎日行う。
除去対象物質データ演算装置５４は、計測値蓄積装置５１に記憶している計測値から平均変動パターン作成装置５３で作成した平均変動パターンを引いた部分（以下、これを残差部分と呼ぶ）を作成し、この値を予測の対象とする。
残差部分のデータは、以下の式で求められる。
【００１０】
【数２】
2005230629.tif 000004
【００１１】
但し、
Ｍｄｉ（ｉ）：時刻ｉにおける残差部分の計測値
Ｍ（ｉ）：時刻ｉにおける除去対象物質量
Ｍａｖｅ（ｊ）：時刻ｊにおける平均変動パターン
ｉ：計測時刻
ｊ：時刻（ｊ＝１，２，３，．．．．．２４）
５５は自己回帰モデル作成装置で、除去対象物質データ演算装置５４で作成した残差データと相関レベル１と相関レベル２で決めた計測値を入力して自己回帰モデルを作成する。
いま、時刻ｎにおけるプロセスの状態をｋ次元の全変数ベクトルＸ（ｎ）、時刻ｎよりｍ時点前の全変数ベクトルをＸ（ｎ−ｍ）、白色ノイズベクトルをＵ（ｎ）、自己回帰モデルの回帰係数をＡ（ｍ）、自己回帰モデルの最適次数をＭで表すと、その自己回帰表現は、
【００１２】
【数３】
2005230629.tif 000005
【００１３】
で表される。
従って自己回帰モデルの作成とは、自己回帰係数、白色ノイズベクトルの分散および自己回帰モデルの最適次数の決定に帰結される。
自己回帰係数Ａ（ｍ）は、要素をＡｉｊ（ｍ）とし、次の連立方程式をｉ＝１，２，３，・・・ｋについて解くことにより求められる。
但し、Ｘｉ、Ｘｊの相互分散をＲｉｊ（ｌ）、自己回帰係数の要素をＡｉｊ（ｍ）とすると
【００１４】
【数４】
2005230629.tif 000006
【００１５】
という連立一次方程式をｉ＝１，２，．．．，ｋについて解けばＡｉｊ（ｍ）が求められる。
白色ノイズベクトルＵ（ｎ）の要素をεｉ（ｎ）とすると、その残差分散値σｉ２は次のようになる。
【００１６】
【数５】
2005230629.tif 000007
【００１７】
なお、モデルの最適次数Ｍは予測誤差を表す（６）式のＭＦＰＥ（Ｍ）を最小にする値である。
【００１８】
【数６】
2005230629.tif 000008
【００１９】
但し、Ｎはデータ数、‖ｄＭ‖はＵ（ｎ）の分散共分散行列推定値である。またＭＦＰＥはMultiple Final Prediction Errorの頭文字である。
このようにして自己回帰係数、白色ノイズの分散および最適モデル次数が求められ、自己回帰モデルが作成される。従って、残差部分の予測を行うために必要な、残差部分と計測値との関係式を自己回帰モデルから求めることができる。自己回帰モデルの更新は、直近の計測値を使用することを目的に直近数十日の計測値を使用して１日１回行う。
５６は残差予測値演算装置で、自己回帰モデル作成装置５５で作成した自己回帰モデルによる予測値から統計的に類推可能な残差部分の数時間先の予測値を演算する。自己回帰モデルを用いた時の数時間先の予測は次のように表される。
【００２０】
【数７】
2005230629.tif 000009
【００２１】
但し、
Ｍｄｉ（ｉ）ｐ：時刻ｉにおける残差部分の予測値
Ｍｄｉ（ｉ）：時刻ｉにおける残差部分の計測値
Ｌｅｖｅｌ１（ｉ）：時刻ｉにおけるのＬｅｖｅｌ１計測値
Ｌｅｖｅｌ２（ｉ）：時刻ｉにおけるのＬｅｖｅｌ２計測値
Ａ１１（ｍ）：残差部分の予測値に対する残差部分の自己回帰係数
Ａ１２（ｍ）：残差部分の予測値に対するＬｅｖｅｌ１計測値の自己回帰係数
Ａ１３（ｍ）：残差部分の予測値に対するＬｅｖｅｌ２計測値の自己回帰係数
しかし、１点先以上の予測が必要なため、１点先以上の予測には、残差部分は予測値を使用し、Ｌｅｖｅｌ１計測値とＬｅｖｅｌ２計測値は前回の計測値を使用する。このようにして得られた残差部分の予測値Ｍｄｉ（０）ｐ，Ｍｄｉ（１）ｐ・・・を予測値演算装置５７に出力する。
５７は予測値演算装置で、平均変動パターン作成装置５３の平均変動パターンと残差予測値演算装置５６の残差予測値との和を除去対象物質量予測値とする。除去対象物質予測式は、次のように決定される。
【００２２】
【数８】
2005230629.tif 000010
【００２３】
但し、
Ｍ（ｉ）ｐ：予測除去対象物質量
５８は注入量指令装置で、５７の予測値演算装置で演算された除去対象物質から最適な注入量指令を２の注入量調整計に出力する。
【００２４】
このように、粉末活性炭制御装置は、地域に応じたシステム変数を使用して予測でき、予測を数時間前の計測値を考慮して行うので、地域別に高精度な予測ができる。また、平均変動パターンは除去対象物質の急激な変動のあった期間以外の平均値を使用し、自己回帰モデルは、過去数十日の計測値を使用していることから、稼動後数週間で浄水処理施設に適した予測を行うことができること、平均変動パターン、自己回帰モデルを毎日更新することで、年間を通して雨量や気温の影響に自動的に対応した予測を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】従来の下水処理制御装置のブロック図を示す。
【符号の説明】
【００２６】
１  スラリー液槽
２  注入量調整計
３  調整弁
４  計測値
５  注入量設定装置
５１  計測値蓄積装置
５２  システム変数選択装置
５３  平均変動パターン作成装置
５４  除去対象物質データ演算装置
５５  自己回帰モデル作成装置
５６  残差予測値演算装置
５７  予測値演算装置
５８  注入量指令装置
６  取水源
７  混和槽
８  凝集沈殿池
９  急速ろ過機
１０  配水池
【図１】
2005230629.tif 000011
【図２】
2005230629.tif 000012